重慶不銹鋼方矩管：研究了退火和激光沖擊處理對(duì)不銹鋼管焊接接頭殘余應(yīng)力及力學(xué)性能的影響。對(duì)焊件分別采取250、500℃退火及激光沖擊后，利用盲孔法測(cè)出不銹鋼管焊接接頭的殘余應(yīng)力分別下降了153、237及275MPa；激光沖擊與退火處理方法相比，激光沖擊產(chǎn)生的彌散分布的馬氏體組織，更能提高焊接接頭的硬度；經(jīng)過(guò)500℃退火的不銹鋼管焊接接頭的抗拉強(qiáng)度提高了53MPa，其焊縫沖擊功及熱影響區(qū)沖擊功比未經(jīng)處理的分別提高了9和12J。

 由于汽車(chē)制造業(yè)的不斷進(jìn)步和升級(jí)，各類(lèi)車(chē)輛在保證汽車(chē)品質(zhì)的情況下，追求汽車(chē)的輕量化，以期降低汽車(chē)重量，提高汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性和使用壽命。強(qiáng)度不銹鋼管由于其具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能及良好的焊接性能，在汽車(chē)制造及船舶等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。低合金高強(qiáng)鋼在焊接的過(guò)程中，由于熔池中金屬液從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，同時(shí)冷卻時(shí)間較短，在此過(guò)程中，不可避免在焊接區(qū)域產(chǎn)生一的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在，不僅在一程度上降低構(gòu)件的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)在外加載荷的影響下可能引起斷裂。對(duì)焊件進(jìn)行一的焊后處理，將有效地消除不銹鋼管焊件內(nèi)部存在的殘余應(yīng)力，同時(shí)能夠改善焊件的品質(zhì)。隨著工藝技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，對(duì)焊件的處理選擇的方式也存在多樣性，如超聲波沖擊也可以降低焊件內(nèi)部的殘余應(yīng)力。激光技術(shù)在近幾年來(lái)發(fā)展尤為迅猛，激光沖擊金屬表面后，將使金屬內(nèi)部組織產(chǎn)生相應(yīng)的變化。宏盛特鋼試圖研究退火和激光沖擊兩種處理方式對(duì)焊接接頭殘余應(yīng)力及其力學(xué)性能的影響。

一、試驗(yàn)材料與方法

 選用屈服強(qiáng)度大于460MPa的不銹鋼管母材，采用錳-鎳-鉬系焊絲,選用SJ301燒結(jié)焊劑，對(duì)尺寸為300mm×150mm×15mm的不銹鋼管進(jìn)行對(duì)接埋弧焊。焊接前，將試板開(kāi)60°V形坡口并清洗干凈；焊接完成后，將其分為4組，分別為1#焊件不進(jìn)行消應(yīng)力處理，2#焊件加熱至250℃保溫60min，3#焊件加熱至500℃保溫60min，4#焊件采用YAG激光器對(duì)焊縫中心線兩側(cè)20mm區(qū)域內(nèi)進(jìn)行激光沖擊，沖擊速率為100mm/s，整機(jī)功率為0.5kW，整個(gè)過(guò)程采用Ar保護(hù)。采用盲孔法對(duì)焊接試件進(jìn)行測(cè)應(yīng)力，測(cè)點(diǎn)如圖所示。從焊接試件上取樣進(jìn)行顯微組織觀察及力學(xué)性能測(cè)。

二、試驗(yàn)結(jié)果及分析

 1. 焊接接頭殘余應(yīng)力分析

   圖為焊接接頭的殘余應(yīng)力分布圖。從圖可知，1#、2#、3#、4#焊接接頭的縱向殘余應(yīng)力分布各有所不同。對(duì)于焊接后未經(jīng)處理的1#焊件，其殘余應(yīng)力值焊縫中心處為300MPa，距焊縫中心10mm位置增至為321MPa，原因是焊趾處由于熔融金屬液與基體接觸，凝固時(shí)受基體影響大，故其殘余應(yīng)力較焊縫中心處高；在不銹鋼管焊件熱影響區(qū)為244MPa，達(dá)到了母材屈服強(qiáng)度的53%，故在焊件冷卻過(guò)程中，對(duì)不銹鋼管焊件進(jìn)行一的保溫緩冷對(duì)焊件品質(zhì)也有重要影響。2#和3#焊接接頭分別經(jīng)過(guò)250、500℃退火處理后，在焊縫中心處其焊接殘余應(yīng)力分別為168、83.1MPa，相比未經(jīng)退火處理的焊接試樣，應(yīng)力分別消除了153、237MPa；隨著離焊縫中心越遠(yuǎn)，焊接殘余應(yīng)力逐漸降低而趨于50MPa。在較低的溫度下進(jìn)行低溫退火處理（2#焊件），能夠有效地對(duì)焊接過(guò)程中由于金屬液凝固順序差異產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力進(jìn)行松弛，而焊件內(nèi)部在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的晶間應(yīng)力無(wú)法被有效消除，但是焊件依舊保持較高的強(qiáng)度，故低溫退火處理不僅能有效消除應(yīng)力，而且能夠保持形狀，避免引起相應(yīng)的變形；退火溫度越高，不僅能緩解其凝固產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，而且焊件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)發(fā)生一的改變，消除其由于晶格畸變產(chǎn)生應(yīng)力，從而達(dá)到好的應(yīng)力狀態(tài)。對(duì)于4#焊件，其應(yīng)力分布狀態(tài)呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在焊縫中心處其殘余應(yīng)力值為46MPa，在距焊縫中心30mm區(qū)域內(nèi)，殘余應(yīng)力逐漸升高，超出30mm以外，其焊接殘余應(yīng)力逐步與未經(jīng)處理的試樣殘余應(yīng)力一致，說(shuō)明經(jīng)高能激光沖擊后，由于其溫度集中和沖擊范圍有限，造成其熱影響區(qū)有限。同時(shí)沖擊區(qū)域焊件溫度迅速升高，在此區(qū)域相當(dāng)于進(jìn)行局部退火處理，由于焊接區(qū)域的組織結(jié)構(gòu)與母材存在一差異，故焊縫區(qū)與母材區(qū)存在不同的溫度梯度，從而造成了圖中的焊件結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布狀態(tài)。激光沖擊不同于傳統(tǒng)的退火工藝，在短暫的沖擊后，能夠在焊件表面產(chǎn)生一層細(xì)晶區(qū)，不僅能夠在一程度改善強(qiáng)度，同時(shí)能提高其耐磨耐沖擊性能，提高其服役期限。圖2（b）中的橫向殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)與縱向較一致，經(jīng)過(guò)退火處理和激光沖擊后，都能有效地消除焊件的殘余應(yīng)力，提高其服役期限。

 2. 焊接接頭的金相組織分析

  圖所示分別為未經(jīng)處理的1#試樣，分別經(jīng)250和500℃保溫60分鐘退火的2#與3#試樣以及經(jīng)激光沖擊的4#試樣的金相組織。1#、2#及3#試樣內(nèi)部的馬氏體分布及形態(tài)具有一的差異，經(jīng)退火處理的試樣馬氏體較未經(jīng)處理的1#試樣分布更均勻彌散，4#試樣表層經(jīng)激光沖擊之后，表層馬氏體組織分布更為彌散。由此可知，經(jīng)過(guò)退火處理之后，焊件內(nèi)部將發(fā)生一的相變，得到回火馬氏體組織，這樣不僅能能使馬氏體分布更為均勻，同時(shí)釋放焊件在焊件過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；焊件經(jīng)較高能量的激光沖擊之后，焊件表層發(fā)生重新凝固，由于冷卻時(shí)間短，故在金屬表層得到彌散的馬氏體組織。

 3. 焊接接頭的力學(xué)性能分析

  a. 焊接接頭硬度

  表為不銹鋼管焊接接頭的表面硬度值。經(jīng)退火處理后的2#、3#相比1#的硬度要低，而4#試樣被激光沖擊后，材料表面受到細(xì)晶強(qiáng)化的影響，其硬度并沒(méi)有降低。

  b. 焊接接頭的拉伸性能

  根據(jù)GB2649-89分別對(duì)1#、2#、3#、4#焊件進(jìn)行取樣，每個(gè)試樣取3個(gè)，在常溫下以1mm/min的拉伸速度進(jìn)行試驗(yàn)，然后取平均值，表為焊件接頭的抗拉強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)退火處理的2#與3#焊接接頭的抗拉強(qiáng)度比未經(jīng)處理的焊接接頭強(qiáng)度分別要高28與53MPa。

  c. 焊件接頭的沖擊韌性

  焊件接頭沖擊韌性試驗(yàn)依據(jù)GBT2650-2008制取V型缺口沖擊試樣，表為焊縫區(qū)及熱影響區(qū)的沖擊試驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)退火處理后的2#試樣其焊縫沖擊功比1#增加4J，2#試樣其熱影響區(qū)沖擊功比1#增加5J，3#焊縫和熱影響區(qū)沖擊功比1#分別增加了9和12J，說(shuō)明經(jīng)退火處理后，釋放了其內(nèi)部應(yīng)力，改善了焊縫內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，提高了材料的沖擊韌性。由于激光沖擊存在熱量集中及熱影響區(qū)有限等特點(diǎn)，導(dǎo)致其焊縫沖擊功有較明顯的增加，但是其熱影響去的沖擊韌性較未處理試樣區(qū)別不大。

三、結(jié)論

  1. 對(duì)不銹鋼管焊件進(jìn)行250、500℃退火處理和激光沖擊后，能夠有效降低其內(nèi)部產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力，在焊縫中心處其殘余應(yīng)力分別下降了153、237及275MPa，相對(duì)退火處理，激光沖擊在釋放焊接殘余應(yīng)力上更為明顯。

  2. 對(duì)不銹鋼管焊件采取退火處理后，焊件內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)力能夠得到有效釋放，能夠提高焊件接頭的抗拉伸性能和沖擊功，如3#試樣的抗拉強(qiáng)度提高了53MPa，焊縫沖擊功和熱影響區(qū)沖擊功分別提高了9和12J。